不同含水状态下含瓦斯原煤加卸载试验研究

以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼K1煤层为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了不同含水状态下的含瓦斯煤加卸载试验研究。研究结果表明:(1)随含水率增加,加卸载煤样的承载强度、残余强度、变形模量都呈现降低趋势,而轴向应变、径向应变、体积应变及侧向膨胀率均呈增加趋势。(2)加卸载过程中煤样甲烷有效渗透率变化与煤样损伤变形演化相对应,但存在明显的滞后现象;煤样破坏前,含水率越高,甲烷有效渗透率越小;煤样破坏后,含水率越高,甲烷有效渗透率反而越大。(3)随含水率增加,加卸载煤样破坏程度增大,裂隙发育增多,形变量增大,煤样加卸载过程中的总能量和耗散能也增加,而弹性能却减小。     

岩石单轴压缩试验中能量演化分析方法

为了探究岩石单轴压缩试验过程中的能量演化规律,利用RMT-150b岩石力学测试系统采用相同的加载速率对白砂岩分别进行了单轴压缩试验、单轴分级加卸载试验。基于裂纹产生及扩展模型研究,假设疲劳损伤和裂纹间的界面摩擦对弹性能无影响,则可以认为单轴压缩中与单轴分级加卸载各卸载点荷载相等处,弹性能均相等。基于上述假设对单轴压缩过程中弹性能、耗散能、弹性能占总能量比例、耗散能占总能量比例、弹性能与耗散能比值等进行分析。通过利用红砂岩单轴循环加卸载中弹性能的演化规律验证了这一假设的正确性。研究结果表明:(1)通过对单轴压缩试验过程中能量演化规律分析发现塑性耗散能、弹性能、滞回效应耗散能存在于岩石单轴压缩的各个阶段。(2)部分滞回效应能可以储存在岩石内部并且随着荷载增大呈线性增长。(3)弹性能与塑性能的增长速率都随着荷载增大而增大,通过对弹性能与耗散能比值分析,得出了不同荷载范围内岩石的弹性能与耗散能增长速率的比较,并且在岩石强度的80%左右处弹性能与耗散能比值达到最大,与弹性能量指数相等,说明该分析方法对岩石能量演化趋势的分析具有一定的合理性。(4)通过红砂岩单轴循环加卸载试验分析发现,疲劳损伤和裂...     

煤样三轴卸荷破坏的能量演化特征试验分析

煤样变形破坏方式与其能量转化密不可分,为探求煤样破坏过程中能量的演化规律,对其进行了不同试验路径的加、卸荷试验。试验结果表明:不同试验路径下,煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主,在峰值应力后以能量的释放及耗散为主;能量耗散使得其内部裂隙扩展,造成煤样损伤劣化,承载能力下降,能量释放使其发生破裂失稳;三轴卸围压试验中,卸荷初始围压越高,煤样存储的弹性能越多,破裂时释放的能量也越多,使得高围压下煤样破坏更为剧烈。因此,高应力煤岩体在开挖卸荷时,极易引起大量的弹性能急剧释放,导致冲击地压、岩爆等灾害发生。此外,在三轴卸围压试验中,由于围压的卸荷效应,煤样临近破裂时损伤曲线的突变程度与常规三轴压缩相比更加明显,也可以看出卸荷破坏相比加荷破坏更具突发性。     

循环加载下冲击倾向性煤能量耗散与损伤演化研究

为研究强冲击倾向性煤在多级循环加载条件下的能量耗散特征及损伤演化过程,在实验室开展了陕西某矿煤样的多级循环加载试验,试验研究结果表明:在多级应力循环下煤样的耗散能先迅速降低,后缓慢增加,当循环上限应力达到63%破坏载荷时,耗散能开始急剧增加;而能量耗散率先迅速降低,后逐渐稳定;煤样加卸载阶段弹性模量均有增大趋势,加载阶段弹性模量先迅速增大,后缓慢增加,而卸载阶段弹性模量变化较为平稳。采用累积耗散能定义循环加载中试件的损伤变量,并建立煤样损伤演化方程,通过试验和数值计算测定各个参数。理论和试验研究表明,基于能量耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较好反映煤样的损伤演化过程。     

煤柱-顶板结构能量演化特征及稳定性研究

煤矿事故的发生大多是由煤柱及其上覆顶板岩层失稳破坏引起的。为了研究不同煤-岩高度比对煤柱-顶板结构变形破坏及能量演化机制的影响,对煤-岩高度比分别为1∶3、1∶2、1∶1、2∶1及3∶1的煤-岩组合体进行了单轴加载及循环加卸载试验,研究了煤-岩结构体变形与能量演化之间的变化关系,利用加卸载响应比对煤-岩组合体的稳定性进行分析,对煤-岩组合体稳定性进行定量评价。结果表明：煤-岩组合体在单轴加载及循环加卸载作用下的峰值强度均随着煤-岩高度比的增加而逐渐降低,煤-岩组合体在循环加卸载作用下的峰值强度均低于单轴加载试验中的峰值强度,煤-岩高度比越大,循环载荷作用下组合体峰值强度降低率越小;组合体输入能、弹性能和耗散能随应力增加呈非线性增加,煤-岩高度比与组合体循环载荷过程中产生的平均弹性应变、平均弹性能、平均残余应变、平均耗散能、总残余应变和加卸载响应呈正比关系,与总弹性应变、总弹性能和总耗散能呈反比关系。     

循环加卸载条件下花岗岩力学特性及疲劳损伤演化研究

为了研究岩石在循环加卸载下的力学特性及能量损伤演化规律,设计了5种花岗岩三轴循环加卸载试验。基于试验结果,详细分析了不同围压的循环加卸载模式下的总能量、弹性应变能和耗散能的演化特征及相互关系,建立了岩石损伤耗散能与循环加载次数及围压的耦合演化方程。结果表明:(1)当载荷小于峰值应力时,加载阶段的弹性模量小于卸载阶段的弹性模量;(2)峰值应力前,载荷所产生的能量主要表现为弹性应变能,而峰值应力后,载荷所产生的能量主要表现为耗散能;(3)随着围压的增加,岩石弹性应变能及耗散能增加;(4)循环加卸载作用下,岩石的耗散能与围压及加卸载循环次数有明显相关性,可以用非线性曲面进行拟合,可为定量分析循环加卸载过程中岩石损伤提供参考。     

多级加卸载下层理裂隙煤体瓦斯渗流轴向效应及应用

为了获取工作面采动影响下煤体平行层理及垂直层理裂隙方向的瓦斯渗流规律,采用真三轴瓦斯渗透实验装置对层理裂隙煤样进行多级加卸载路径下轴向瓦斯渗流实验。实验表明:煤样在多级加载过程中经历压实、弹性变形和塑性变形3个阶段,2个轴向的瓦斯渗透率均随应力的增加而降低;卸载过程中,2个轴向的瓦斯渗透率均有部分恢复;加卸载下平行层理x轴向的瓦斯渗透率始终大于垂直层理y轴向。实践中在回采工作面前方布置了垂直层理和平行层理方向的2种钻孔考察瓦斯抽采量。实践表明:加卸载条件下层理裂隙煤样2个轴向的瓦斯渗透特性能真实反映受采动影响的煤体内瓦斯渗透规律;但煤样的加卸载过程不完全等同于回采工作面煤层应力"三区"变化过程,回采工作面充分卸压后的煤体各向渗透率均有较大提高。     

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性

为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。     

真三轴条件下卸载速率对砂岩力学行为和能量演化的影响研究

通过真三轴流固耦合试验系统对砂岩进行真三轴加卸载试验，研究不同最小主应力方向卸载速率对砂岩试件的力学行为和能量演化特性的影响。试验结果表明：随着卸载速率增加，体积最大压缩量减小，达到最大压缩量所需的最大主应变也减小；卸载速率增加使岩样中间主应力系数增加，而静水压力和剪切应力值均减小；随着卸载速率增加，峰值处总能量下降，弹性能呈现出先增加后趋于平稳的趋势，耗散能呈下降趋势。试验开始到最大压缩点之前为阶段Ⅰ,最大压缩点之后到峰值处为阶段Ⅱ。随着卸载速率增加，在阶段Ⅰ中，耗散能转化速率增加程度较低，岩样变形以弹性为主；在阶段Ⅱ,耗散能转化速率增加程度较高，岩样变形以塑性为主。研究结果对控制岩石变形和破坏具有指导意义。     

围压循环加卸载作用下含瓦斯煤样渗透特性试验研究

煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征,对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。以原煤煤样和型煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统,进行围压等幅循环加卸载渗流试验,研究渗透率对应力的响应特征。结果表明,两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。①对于2种煤样,渗透率随围压的增大而减小,随围压的减小而增大,且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。②原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大,在高围压阶段变化程度小,而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率D_k均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数c_f整体上随加卸载次数的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增大。⑤原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大,型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。用型煤煤样来代替原煤煤样...     

加卸载条件下原煤渗透率与有效应力的规律

为研究采动过程中有效应力的变化对渗透率的动态演化的影响,基于自行研制的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",进行了单调加载和不同初始应力状态加卸载条件下原煤渗流特性的试验研究。考虑瓦斯力学作用和瓦斯吸附作用两个方面对有效应力系数的影响,得到了加卸载条件下原煤的有效应力计算公式及渗透率与有效应力关系的公式,根据初始孔隙率、吸附常数等试验数据和不同条件下渗流试验数据对建立的渗透率与有效应力表达式进行验证。研究结果表明,理论计算值和试验结果吻合度比较高,单调加载与加卸载条件下原煤的渗透率随着有效应力的增加呈负指数关系下降。     

真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

深部煤炭资源开采过程中,由于地应力和工程扰动的影响,煤岩体常处于三向不等压的真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3),而采用常规三轴(σ1>σ2=σ3)的加载应力路径难以反映煤岩体的实际受力状态。为此,利用自行研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,研究了真三轴加卸载应力路径下原煤力学特性及渗透率演化规律。结果表明:真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律有重要影响。与CCT加载应力路径相比,LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度降低;真三轴加卸载应力路径下原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系。真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式均为拉-剪复合破坏。此外,真三轴加卸载应力路径对原煤渗透率演化规律有显著影响。     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

三轴循环加卸载下煤岩损伤的能量机制分析

由于煤岩的变形破坏是一个十分复杂的损伤演化过程,因此有必要深入研究各种加载模式下煤岩损伤演化过程的能量转化机制。通过岩石三轴循环加卸载试验,分析了不同围压作用下煤岩的损伤演化行为。实验研究表明,在循环加卸载情况下,煤岩表现出明显的循环滞后环,且随应力的增大煤岩的损伤耗散能增大。在低围压下及单轴压缩下,煤岩的弹性模量随循环应力增大而下降,但在高围压下煤岩的弹性模量没有随循环应力增大而下降。这表明围压的作用引起了煤岩损伤机制的变化。为此给出了基于能量分析的损伤变量定义及其演化规律,克服了传统的基于弹性模量定义的损伤变量的不足,可以较好地描述不同围压作用下的煤岩损伤演化程度。     

分阶段卸荷过程中构造煤的力学特征及能量演化分析

采用恒定轴压以不同卸荷速率分阶段卸围压的方式,分别对初始围压不同的三组煤样进行卸荷试验,然后对比分析了构造煤常规三轴加载和分阶段卸荷试验的应力-应变曲线特征,并从能量演化的角度分析了分阶段卸荷过程中煤样的能量变化规律。试验结果表明,构造煤分阶段卸围压试验的力学强度和变形能力明显小于常规三轴加载试验。分阶段卸荷过程中构造煤的偏应力和应变变化均呈现明显的阶梯状。在卸荷段,围压对试件的变形起到了限制作用,围压越大,应变增量越小、卸荷段越多;卸荷速率通过改变围压卸荷量影响应变变化,但相同卸荷速率时,围压越大应变增量越小;在恒压段,试件的应变变化呈现蠕变特征,通过数据拟合得到了其叠加开尔文体的蠕变方程。分阶段卸围压过程中,围压卸荷诱发弹性应变能持续释放,煤样吸收的总能量不断增加,其转化的耗散能也不断增大;围压卸荷速率越大,弹性应变能释放越快,耗散能变化率也越大,煤样强度衰减也更快;并且相同卸荷速率条件下,围压越小弹性应变能变化率也较小。     

循环载荷下煤样能量转化与碎块分布特征

煤矿开采中煤体常处于反复加卸载过程,研究煤体在不同加载速率重复载荷作用下的能量转化与破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。利用MTS815.03伺服实验系统,通过单轴循环加卸载试验,结合能量和分形理论,获得了不同加载速率下煤样变形破坏各阶段能量积聚、耗散和释放的转化机制及其与煤样碎块块度分布规律的内在关系,为开展重复载荷作用下煤岩破裂响应及破坏机制的研究提供依据。试验结果表明:煤样能量转化具有明显的阶段性特征,可分为能量初始积累阶段、能量加速积累阶段和能量快速耗散阶段。煤样破坏前耗散能所占比例经历了高—低—高的过程,而弹性能则相反,加载后期弹性能比例下降或耗散能比例的升高,预示着煤样进入加速破坏阶段;能量集聚和释放与加载速率密切相关,随着加载速率的增大,峰值前弹性能所占比例逐渐增加,煤样破坏前更多的能量以弹性能形式储存在煤样体内,岩石破坏后,更多的能量被释放出来,煤样破坏越剧烈,其宏观破坏形态由剪切张拉和劈裂破坏向弹射破坏过渡;循环加卸载下煤样碎块分形特征具有明显的分段性,在小于尺寸阈值范围内具有较好的自相似性特征,不同加载速率下碎块分形维数为2～3,且随加载速率的增加成线性增长;加载速率越大碎块分形维数越大,煤样破碎程度越高,大块碎块所占比例越小,煤样碎块越破碎且单块碎块质量越小,煤样发生动力灾害的危险性越大。     

加卸载条件下煤岩变形特性与渗透特征的试验研究

以原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,采用加轴压、卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验,分析加卸载条件下煤岩变形特性和渗透特征的演化规律。研究结果表明：① 加卸载试验峰值强度明显低于常规三轴压缩试验峰值强度,在加卸载过程中,主应力差有一个明显增加趋势,卸载第2阶段速率越大,其曲线斜率也越大,但峰值强度越小,对应的径向应变ε3 、体积应变εV增加速率也越快,而到峰值后破坏阶段,均呈下降趋势。② 加卸载过程中,煤岩渗透率、应力差与应变关系可以分为3个阶段,初始压密和屈服阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。试件达到峰值后瓦斯渗透率出现突然小幅度上升,持续一段时间后,渗透率出现急剧陡增趋势。③ 煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关,渗透率随变形的增大均呈二次多项式函数递增。     

循环荷载条件下原煤力学性质及损伤演化规律

对原煤试样分别进行了常规加载和循环荷载条件下的单轴和三轴力学强度试验,借助声发射技术,系统研究了单轴循环荷载及三轴循环荷载条件下原煤的损伤演化规律并对比分析。常规循环荷载试验结果显示:从循环初始至结束,煤岩内部损伤过程具有明显的3阶段,即初始损伤阶段,微裂纹扩展萌生稳定增长阶段,裂纹贯通破坏阶段;定量分析了应变峰值、卸载刚度及损伤变量在循环荷载过程中的变化规律,单轴循环试验初始损伤阶段的损伤程度较大,第3阶段损伤变量变化显著;三轴循环试验损伤过程中第1阶段最显著,而在损伤第3阶段,煤样临近破坏时损伤变量略微升高,与单轴试验损伤变量显著增加的情况不同;循环应力上限处声发射现象最强烈,说明循环过程中应力上限时的内部损伤程度最大。分级循环荷载试验结果显示:分级荷载增加初期应变回滞环较密集,声发射现象显著,试样破坏时声发射计数最大;各级循环也具有损伤不同阶段特征,达到损伤稳定阶段的损伤变量近似值与均值压力呈指数型变化关系。